拱桥满堂支架施工技术

邓卫华

(湖北省核工业地质局，湖北孝感 432100)

0 引言

随着城市交通基础设施不断完善和发展，越来越多的城市设置拱形桥梁作为景观桥。本文介绍在市区或郊区施工跨河流、跨湖泊的大跨度拱桥，在不能采用悬拼钢拱架、贝雷梁架的情况下，采用围堰抽水清淤换填碎石土，搭设满堂支架，整体滑移支架，省工省时，施工安全。该措施得到了有关上级部门的认可，为保证工程质量和提高工作效率发挥了积极的作用。

1 工程概况

钟祥市东环路跨湖桥工程项目位于钟祥市镜月湖西北角，其中跨湖大桥横跨镜月湖，桥梁长496．8 m，整体宽度23．0 m，下构采用实体墩台配桩基础，设有32个桥墩(含6个制动墩)与2个桥台身，上构采用33孔不等跨圆弧线板拱桥;主拱圈净跨径从桥台处第1跨(第33跨)6．8 m至桥梁中心(第17跨)22．5 m依次变化，跨中高度从桥台处第1跨(第33跨)3．60 m至桥梁中心(第17跨)9．17 m依次变化。根据跨径的不同，主拱圈厚度分别为35 cm、40 cm、45 cm、50 cm、55 cm。本项目部采取在镜月湖内围堰筑坝，堰内抽水清除淤泥换填碎石土;在堰内施工跨湖大桥桩基、承台、墩身及拱桥上构;全桥33跨拱圈分七联采用满堂支架现浇混凝土施工。

2 施工准备

2．1 外部环境的监测

因跨湖桥横跨镜月湖，堰外湖水对满堂支架基础产生直接威胁，因此，在施工过程中，随时测量观察堰外湖水水位与堤坝的稳定性，及时抽排因暴雨或其它因素引起的湖水上涨，严禁湖水漫溢围堰浸泡支架地基。

2．2 人员及物质的准备

满堂支架施工投入现场施工管理员2人，专业技术人员2人，安全员2人，架子工25人，木工10人，其他工人10人，16 t吊车一台，ZN30装载机一台，JW60钢管滚圆机一台、备足3联孔(全桥为33孔拱桥)的碗扣式脚手架、扣件、钢管、方木、竹胶合模板等材料:Φ48钢管400 t及扣件80 000余个，碗扣式脚手架600 t，顶托20 000余个，122 cm×244 cm×1 cm竹胶合板模板6 000 m2，木模板1 000 m2，5 cm×10 cm方木、10 cm×10 cm方木共计180 m3，拱架钢管50 t，钢筋弯曲机两台，钢筋切断机两台，电焊机10台，以及配套的小型机具。以上资源配置根据工程进度要求再作调整。

2．3 验算碗扣支架钢管的稳定性和预压荷载的计算

本工程拱圈满堂支架的设计与验算参考公路施工手册《桥涵》及《建筑施工碗碗扣脚手架安全技术规范》(JGJ166—2008)，具体计算如下:

2．3．1 荷载

支架设计时，考虑各项荷载:模板和支架自重;新浇砼自重;钢筋自重;振捣砼时产生荷载;风荷载。

(1)荷载标准值的取定 模板和支架自重按10%结构混凝土自重考虑;新浇钢筋砼自重标准值采用25 kN/m3;振捣砼时产生的荷载标准值采用3．0 kN/m2;风荷载标准值采用0．6 kN/m2。

(2)荷载设计值的确定 支架设计时，所采用的荷载设计值是取荷载标准值分别乘以下述相应的荷载分项系数，然后组合而得，见表1。

表1 荷载分项系数表Table 1 Partial coefficient of load

碗扣脚手架搭设，其立杆的纵横向间距按0．9 m×0．9 m的组合形式布置，其立杆的竖向步距统一采用0．9 m，其上设可调顶托，上铺钢管和方木形成模板平台，支架荷载最不利情况为拱板砼浇注完毕尚未初凝前底板范围内的杆件承载。

(3)荷载组合 以第11跨半幅支架和模板为验算对象，根据《建筑施工碗扣脚手架安全技术规范》，模板支架主要验算立杆稳定性。设计荷载主要考虑拱圈荷载、模板荷载、支架自重荷载和施工荷载、风荷载。

① 半幅拱圈钢筋混凝土方量为86．64 m3，自重为86．64 ×2．5 ×10=2 166 kN;

半幅平面面积(22．8 －3．6)×14．85/2=142．56 m2;

拱圈钢筋混凝土自重荷载2 166/142．56=15．19 kN/m2。

②模板与支架自重按10%结构混凝土自重考虑，即约1．52 kN/m2，并按均布荷载计算。

③ 施工人员及机具重量1．0 kN/m2。

④ 混凝土灌注振捣2．0 kN/m2。

⑤ 风荷载标准值采用0．6 kN/m2。

⑥ 荷载组合将(1项+2项)×1．0×1．2+(3项+4项 +5项)×1．0×1．4。

简化为均布荷载:

(15．19+1．52)×1．2+(1+2．0+0．6)×1．4≈25．1 kN/m2。

2．3．2 满堂碗扣式脚手架支架验算

满堂碗扣式Φ48支架布置 沿桥纵向排距0．9 m，横向间距0．9 m，步距0．9 m;脚手架钢管截面特性:外直径 Φ48 mm，壁厚3．5 mm，截面积 A=489 mm2，惯性矩 I=1 219 cm4，回转半径 r=15．8 mm，f=205 MPa，立杆［δ］=210。

立杆稳定性计算 脚手架钢管截面特性:直径Φ48 mm，壁厚3．5 mm，截面积A=489 mm2，惯性矩I=1 219 cm4，回转半径 r=15．8 mm，f=205 MPa，立杆［δ］=21，支架横杆步距 Lo=0．9 m;

长细比 λ =Lo/r=900/15．8=56．96，取 λ =57，查表知折减系数φ=0．829;

则立杆承载能力［N］=0．829×489×210=85 130 N=85．1 kN。

立杆根数:(1+14．85/0．9)×［1+(9．6+1)/0．9)］=18×13=234根。

每杆立杆承受荷载:N=25．1×142．56/234=15．3 kN ＜85．1 kN。

立杆承载能力远大于要求立杆承受的荷载，满足要求:

N/φA=19．68 × 1 000/(0．829 × 489)=48．55 MPa＜f=205 MPa，立杆稳定性满足要求。

通过以上承载力计算和受力分析可知，碗扣脚手架按此方案布置，支架整体稳定性满足要求。

2．3．3 地基承载力计算

均布荷载:

(15．19+1．52)× 1．2+(1+2．0)× 1．4≈24．3 kN/m2=24．3 kPa

按2．5倍安全系数考虑，要求承载力，24．3×2．5=60．8 kPa

根据工程地质勘察资料，场地表面为淤泥质软土，其下为粉质粘土，粉质粘土地基承载力为120 kPa，我部挖除软土至粉质粘土，换填碎石土(＞1．5 m)，平整压实后面又施工了10 cm厚的C20混凝土垫层，经现场检测，基础承载力为320 kPa，远大于支架基础要求承载力60．8 kPa，基础承载力满足满堂支架要求。

2．3．4 预压试验砂袋计算

选用能装砂800～1 000 kg的预压试验专用砂袋，计算时按800 kg/袋考虑。

半幅拱圈施工时总荷载为预压试验荷载:24．3×142．56=3 464 kN=346 421 kg。

半幅砂袋用量:346 421/800=433个，第11跨全幅砂袋用量866个。

砂袋堆码高度:346 421/［17．88 ×(9．6+1)×1 500］=1．22 m(砂按1 500 kg/m3计算)。

3 碗扣式脚手架材质性能要求

满堂支架搭设之前先检查碗扣杆件，不得使用挖瘪、弯曲、腐蚀等以及有损伤和明显缺陷的构件，碗扣或销子必须用专用的销子。碗扣件进场前必须逐件进行检查，碗扣式脚手架用钢管应采用符合现行国家标准《直缝电焊钢管》(GB/T13793—92)中的Q235A级普通钢管，其材质性能应符合国家标准《碳素结构钢》(GB/T700)的规定。

(1)碗扣架钢管规格为Φ48 mm×3．5 mm，钢管壁厚≥3．5 ～0．025 mm。

(2)上碗扣、可调底座及可调托撑螺母采用可锻铸铁或铸钢制造，其材料机械性能应符合GB9440中KTH330—08及GB11352中ZG270—500的规定。

(3)下碗扣、横杆接头、斜杆接头应采用碳素铸钢制造，其材料机械性能应符合GB11352中ZG230—450的规定。

(4)采用钢板热冲压整体成形的下碗扣，钢板应符合GB700标准中 Q235A级钢的要求，板材厚度≥6 mm。并经600～650℃的时效处理。

(5)立杆连接外套管壁厚≥3．5～0．025 mm，内径≤50 mm，外套管长度≥160 mm，外伸长度≥110 mm。

(6)杆件的焊接应在专用工装上进行，各焊接部位应牢固可靠，焊缝高度≥3．5 mm，其组焊的形位公差应符合表2的要求。

表2 杆件组焊形位公差要求Table 2 Requirement of geometric tolerance of assembly welding

(7)立杆上的上碗扣应能上下串动和灵活转动，不得有卡滞现象;杆件最上端应有防止上碗扣脱落的措施。

(8)立杆与立杆连接的连接孔处应能插入Φ12 mm连接销。

(9)在碗扣节点上同时安装1～4个横杆，上碗扣均应能锁紧。

(10)构配件外观质量要求。钢管应无裂纹、凹陷、锈蚀;铸造件表面应光整，不得有砂眼、缩孔、裂纹等缺陷，表面粘砂应清除干净;冲压件不得有毛刺、裂纹、氧化皮等缺陷;各焊缝应饱满，焊药清除干净，不得有未焊透、夹砂、咬肉、裂纹等缺陷;构配件防锈漆涂层均匀、牢固;可调底座及可调顶托撑丝杆与螺母捏合长度不得少于4～5扣。

4 施工工艺

施工流程:地基处理→施工碎石(砂)与混凝土垫层→定位放线、布点→碗扣支架搭设→拱架制作安装→摆放模板底方木→底模加工安装→支架预压→测量观察→卸载→调整底模高程→钢筋加工绑扎→侧模加工安装→预埋件安装→检查验收→混凝土浇筑、养生→落架→移架或拆架→进入下道工序。

满堂碗扣支采用 LG-300、LG-240、LG-180、LG-120、HG-60、HG-90、HG-120 等规格的杆件进行组合安装;支架主要包括Φ48立杆、横杆、KTZ50型可调底托和KTC50型可调顶托、剪力撑、弧型钢管拱架、横向分配方木、钢管和底模板等。

(1)桩基施工完成后，将泥浆池内泥浆及软土全部清除，疏通场地西边水沟，集中降水排水，严禁施工场地内积水，以免造成地基不均匀沉降，引起支架失稳，出现安全隐患和事故。

(2)相邻承台混凝土施工完后，挖除承台间软土换填碎石土，碾压密实后上铺10 cm碎石垫层，再施工10 cm厚的C20混凝土。场地表面平整、不积水。

(3)测量放线，在混凝土面上测设出各跨的纵轴线和桥墩横轴线，对于跨径＜15 m的拱跨用墨线弹出纵向90 cm与横向90 cm的方格网。对于跨径＞15 m的拱跨用墨线弹出横间距90 cm网线与纵向间距90 cm与60 cm的交替方格网。见图1。

(4)弧形钢管拱架加工制作:弧形拱架放样平台选在跨湖桥中间16#墩与17#跨墩之间场地内，场地基底换填碎石土，表面浇筑10 cm厚的C20混凝土，平台表面平整、不积水。根据设计图各跨拱的净跨、矢高、圆弧半径，在平整的混凝土地面上按1∶1的比例放出各拱圈大样图，并用红色油漆画出圆弧;用JW60钢管滚圆机分段加工制作Φ48 mm×3．5 mm钢管拱架，再放至拱圈大样图上进行比照，若有偏差，可再次送入JW60钢管滚圆机反复修改，使弧形拱架与对应拱圈大样相吻合，对加工好的拱架进行编号并分开堆放。

(5)碗扣式满堂支架的施工，采用Φ48(d=3．5 mm)碗扣脚手架，按上述测量布设的方格网点搭设满堂支架，竖向步距采用90 cm，每跨横向支架搭设宽出承台50 cm，满堂支架设置纵、横向扫地杆，每根立杆底部设可调底托，立柱上方设可调顶托，底托与顶托撑丝杆插入立杆内的长度不得＜15 cm，外露部分不得超过30 cm;满堂支架搭设时，桥纵向采用双排弧形钢管拱架，间距为90 cm，弧型钢管拱架下垫10 cm×10 cm方木，方木架在可调顶托上，弧型拱架上铺5 cm×5 cm的方木与Φ48直钢管，方木与钢管交替排放并用铁丝固定在拱架上，二者间距为0．3 m，用1．0 mm竹胶板做底模与侧模，模板用钉子固定在方木上。

支架安装时从拱圈的纵向一端向另一端进行，第一层拼好之后，检查其平整度，如高差太大，用底托调平。拼立杆时用吊线锤检查其垂直度，防止立杆偏心受力。接头部位用碗扣连接牢固，碗扣支架搭拼完之后，用扣件式钢管在立杆上沿纵横向每隔3排设置一道剪刀撑，剪刀撑设置时从顶到底要连续，搭接头保证≥60 cm，接头卡不少于两个，与水平横杆的夹角为45°～60°。见图2。

图1 碗扣架平面布置图Fig.1 Plane arrangement chart of cuplok scaffold

图2 碗扣架立面布置图Fig.2 Elevation arrangement chart of cuplok scaffold

(6)拱架高程控制。全桥起拱线在同一水平面上(高程42．0 m)，通过计算起拱线到底模的高度就能精确计算出每根立杆长度。以两承台间纵向轴线中点为原点，从原点往两拱脚用钢尺丈量a长度，如图3。

高度h可通过以下公式计算出来:

式中:R——拱圈半径;E——矢高;h——距中心原点距离a时起拱线至模板的高度。

根据上述公式可计算出每跨起拱线至模板的高差。计算结果见表3。

图3 弦高计算示意图Fig.3 Schematic diagram of string height calculation

表3 起拱线到拱圈底模立杆高度计算表Table 3 Calculation table of height of upright stanchion

在堆载预压完成后，用水准仪测量，调整控制底模高程。底模高程=设计拱底+支架变形量+前期施工误差的调整量。

(7)支架预压。预压的目的是消除地基沉降影响、支架的非弹性变形，检验支架的刚度、稳定性、安全性是否满足施工要求，测出弹性数据，同时取得支架弹性变形的实际数值，作为支架施工预拱值设置的资料;在待堆载拱跨的模板1/4、1/2、3/4处测设三个断面的沉降观测点，同断面于底板上横向按每2．0 m间距布设沉降观测点。

支架预压重量取拱圈钢筋砼结构自重的120%，全部预压材料共分三级加载完成。

用编织袋装砂作预压材料，砂袋的堆积高度按施工时总荷载计算取值，从而使预压荷载的分布与拱体荷载的分布相吻合。模板高程调整完毕后，在底模侧面的方木上上设置观测点。预压时按照观测阶段和观测时间测设各观测点高程，采用DS2水准仪测设各观测点高程，并记录在册。

第一级加压为40%总重量，停4～6 h，测量观测两次。

第二级加压为40%总重量，停4～6 h，测量观测两次。

第三级加压为40%总重量，静压≥60 h，每天测量观测两次。

加载过程中，观测支架体系没有明显的变化时方可继续进行加载，预压时要随时观测支架的变化情况。观测时分次做好计录，即加载前、加载1/3时、加载2/3时、加载完成后直至沉降稳定。直至最后连续三天的累计沉降值＜3 mm时方可卸载。

卸载时可按两次卸完，每次分别为50%卸载后，要进行支架回弹观测，最后计算出各点弹性变形和非弹性变形的最大值。

第一次卸载后停4～6 h，测量观测2次;

第二次卸载后48 h内进行6次测量观测。

预压时主要观测的数据有:地基沉降、顶板沉降、支架沉降;卸载后顶板可回弹量。沉降稳定卸载后算出地面沉降、支架的弹性和非弹性变形数值，根据各点对应的弹性变形数值推算拱圈预拱度。

(8)支架整体侧移。支架整体侧移采用手动葫芦钢丝绳牵引施工方法，施工要点首先是牵引力作用点的选定不能是支架上的某个点，而是在拱圈支架横向侧面选用16#U型槽钢作横挡，钢丝绳在槽钢两端设二个牵引力作用点，以免局部点受力过大拉散支架;其次是钢丝绳牵引合力作用线要与拱圈横向拱轴线吻合，牵引力作用点、钢丝绳、手动葫芦要在同一水平面了，防止支架侧移过程中偏位变形。

采用满堂支架依次施工第一联、第二联及第七联、第六联左半幅拱圈混凝土;在拱圈混凝土强度达到设计要求时，保留第二联的第10跨、第11跨及第六联的第23跨、24跨拱圈左幅支架，依次将1～9跨、25～33跨拱圈左幅支架顶托松落，同时用手动葫芦向下轻拉底模，使拱圈底模完全脱离拱圈混凝土底面约5 cm;纵向立杆每隔一排上调立杆底托，调使其离开地面悬空约15 cm，在其下安放16#U型槽钢与12#U型槽钢。12#U型槽钢凹槽内每隔1．5 m安装一个UC305轴承，16#U型槽钢内涂抹机油等润滑剂，12#U型槽钢凹面朝下一起放置在16#槽钢凹槽内，再将上调的支架底托落到12#U型槽钢背部;在满堂支架侧面背部高0．5 m处用一根6 m长的16#U型槽钢作横挡，用18．5号钢丝绳作拉绳，三根Φ48钢管斜打入地下0．8 m作反力装置，支架与墩身接触处单个侧面用4个万向轮作导向，用二个5 t手拉葫芦人工牵引将左幅支架整体侧移至右幅。依此方案组织施工第七联、第六联、、第一联、第二联右半幅拱圈，及其他第三、四、五联拱圈。正常情况，五个架子工一天可完成一跨支架的整体侧移，省工省时。

图4 支架侧移牵引示意图Fig.4 Schematic diagram of traction of scaffold lateral displacement

(9)满堂支架拆除工艺。根据设计要求，待拱圈混凝土强度达到设计强度的100%后方可进行拱圈底支架拆除。不得随意提前，以免拱圈混凝土发生开裂。在桥台处，支架拆除前必须完成台后挡土墙的施工及台背2/3回填工作。拆除支架时，先拆除各跨拱跨中1/2范围支架，再向两侧放松拱圈支架直到拱脚。卸落量开始宜小，以后逐渐增大。

落架、拆模时，要对称、均匀进行，分三次卸完，不允许某个局部突然拆架，不得使主拱局部产生过大应力。落架时要统一指挥，统一行动，每次落架过程都要仔细认真地进行，以达到均衡、同步。拆模时防止撬坏模板和碰坏混凝土面。在落架前，落架到1/2及落架结束后对拱圈混凝土顶面高程、纵轴线落架要进行测量观测。

拆除支架规定:拆除程序应遵守由上而下，先搭后拆的原则。拆除顺序为剪刀撑→横向水平杆→纵向水平杆→立杆。

拆除前应先拆除脚手架上杂物及地面障碍物;拆除作业必须由上而下逐层拆除，严禁上下同时作业;拆除过程中，凡已松开连接的杆、配件应及时拆除运走，避免误扶、误靠;拆下的杆件应以安全方式吊走或运出，严禁向下抛掷;不准分立面拆架或在上、下两步同时拆架，做到一步一清，一杆一清;拆除脚手架时，地面应设围栏和警示标志，严禁非操作人员入内;脚手架拆除时应制止和杜绝违章指挥、违章作业;拆下的杆件以安全方式运下来，集中堆码整齐;拆除时要统一指挥，上下呼应，动作协调，以防坠落。

5 结语

在钟祥市东环路跨湖桥施工过程中，由于对每跨满堂碗扣支架严格控制、立杆高度精确计算，支架整体滑移，从而减小了拱圈模板弧度及高程的整体控制难度、保证了拱圈提前顺利合拢。结果表明:若采用常规施工方法先拆模、拆架再搭设，一拆一搭费工费时，模板损耗相当大，且碗扣架在围堰内堆放场地有限;而采用整体滑移支架，施工机械设备投入小，省工省时，施工安全。提高了工作效率，节省工期2个月，为跨湖桥年底竣工通车提供了强有力保障。

［1］ 顾懋清，石绍甫．公路桥涵设计手册 拱桥(上、下册)［S］．北京:人民交通出版社，2000．

［2］ JTG/TF50—2011，公路桥涵施工技术规范［S］．

［3］ JGJ166—2008，建筑施工碗扣脚手架安全技术规范［S］．